某深水基坑開挖支護方案研究

朱培男

(遼寧省冶金地質勘查局四0五隊，遼寧鞍山 114000)

1 工程概況

該大橋跨三岔河段采用45 m+70 m+70 m+45 m懸澆梁跨越設計，兩孔下水面寬度為65 m。三岔河枯水期河寬230 m，最深處水深6 m，橋梁沿既有溝海線走行，采用圓端形橋墩，鉆孔樁基礎，其中480號墩均在水中，局部沖刷線與各項安全主通航指標要求。480號主墩需由河面高程垂直下挖17 m～19 m深，屬于超深基坑開挖，墩臺參數如表1所示。

表1 墩臺設計參數 m

2 橋梁深水基礎類型特點及方案比選

2.1 比選原則

1)根據鉆孔地質資料，判定符合施工的支護體系;

2)支護方案要具備足夠剛度、強度，確保開挖施工安全;

3)支護體系能有效解決滲漏水及地下涌泥、涌砂等情況;

4)支護方案必須考慮汛期及各項防護要求;

5)支護方案力求經濟、簡單、易行。

2.2 鋼板樁方案

三岔河大橋水中以480號墩為研究對象，筑島頂面標高+3.6 m，河床標高取－4.0 m(根據設計圖估取)。承臺分三級，第一級承臺厚3 m，臺頂標高－6.588 m，第二級承臺厚3 m，第三級承臺厚0.5 m。臺底標高－12.588 m。擬采用鋼板樁圍堰進行承臺施工，鋼板樁采用拉森IV型，長24 m，圍堰平面尺寸為21.6 m×17.6 m，共設置五道內支撐。圍堰樁頂標高為+2.442 m，第一道內支撐標高為+1.942 m，第二道內支撐標高為 －1.058 m，第三道內支撐標高為－3.558 m，第四道內支撐標高為－6.058 m，第五道內支撐標高為－9.058 m，封底混凝土厚度為2.5 m，基坑底高程為－15.058 m(即封底底面標高)。設計方案如圖1所示。

2.3 鋼圍堰方案

1)鋼圍堰制作周期長，所占場地多，不易管理。

2)鋼圍堰下沉必須采用駁船等大型水上運輸工具，或采用鋼平臺，配合投資大，射水下沉周期長。

3)鋼圍堰設計為一次性投入，需水下潛水員施工割接，投入材料殘值收益低，且危險性高。

圖1 圍堰立面圖

2.4 鋼板樁與鋼管樁結合方案

2.4.1 方案概況

三岔河大橋水中以480號墩為研究對象，筑島頂面標高+3.6 m，河床標高取－0.4 m(按筑島填土厚度4 m的底面而定)，承臺底面標高 －12.558 m。

采用鋼管樁結合拉森鋼板樁圍堰進行承臺施工，鋼管樁φ630 mm×10 mm×24 000 mm、拉森鋼板樁575 mm×10 mm×12 000 mm(豎向2根焊接接長到24 000 mm)，圍堰平面尺寸為21.6 m×17.6 m，共設置5道內支撐，承臺底面以下2 m為C30封底混凝土。

原鋼板樁方案:圍堰樁頂標高為+3.6 m，第一道內支撐位于樁頂以下2 m，標高為+1.6 m，以下各道支撐按等間距3 m逐道支撐，第五道支撐到封底混凝土頂面距離為2.5 m(此值無法設置承臺模板)。需注意的是:考慮到土體壓力從地表向下呈三角形分布遞增，建議從樁頂向下由稀到密布置內支撐進行支撐。例如，第一道位于樁頂以下2 m，以下各道內支撐間距3 m+3 m+2.5 m+2.5 m逐道支撐，第五道支撐到封底混凝土頂距離為3.5 m。經驗算，第五道支撐不穩定。鋼板樁結合鋼管樁方案:圍堰樁頂標高為+3.6 m，第一道內支撐位于樁頂以下2 m，標高為+1.6 m，以下逐道間距(3+3+2.5+2.5)m逐道支撐，第五道支撐到封底混凝土頂距離為3.5 m(此值保證承臺模板的支立)，如圖2所示。

圖2 圍堰立面圖

2.4.2 鋼管樁強度驗算

驗算時的荷載最不利位置均位于第五道支撐到封底混凝土底面段3.5 m+2 m=5.5 m范圍。該段為開挖最深段，土壓力最大;該段跨度最大(5.5 m)。

具體分析如下:

1)開挖到樁頂以下約2.5 m深處，設置第一道支撐。設置第一道支撐前，管樁在外側土壓力下樁頂向內側傾移，這一傾移使得管樁外側土壓力由靜土壓力(開挖前)變為主動土壓力(開挖后)。

此時，樁外側為主動土壓力，內側為部分被動土壓力及靜土壓力(之所以稱之為部分被動土壓力，是因為樁頂向內側傾移或有傾移趨勢，但這一被動土壓力遠未達到臨界狀態的被動土壓力—朗金理論中的被動土壓力—土體被壓臨界破壞時的土壓力)。

2)封底混凝土底部以上共18.5 m，設置第一道支撐后，向下逐段(或逐層)開挖的過程中，鋼管樁不會再向內側傾移。原因是:各道橫向內支撐約束了管樁向內側傾移。

3)鋼管樁實際會產生微小的向內側傾移量，這一微小傾移量為內支撐的彈性壓縮量，這一微小傾移量使得管樁外側土壓力由靜土壓力變為主動土壓力。

4)封底混凝土層以下5.5 m范圍內土層受力相對較復雜:開挖頂層土時，樁端部外側一定范圍內為部分被動土壓力;開挖到一定深度后，隨著各道內支撐的設置及向下開挖卸載，其外側的部分被動土壓力逐漸減小，直到最后成為主動土壓力;而管樁內側土則反之，開始在樁端部內側一定范圍內為主動土壓力，開挖到一定深度后，隨著各道內支撐的設置及向下開挖卸載，其內側的主動土壓力逐漸增大，直到最后成為被動土壓力。

5)不考慮臨界狀態管樁的最小入土深度。理由是:設置的各道支撐限制了管樁的傾移，不會產生朗金被動土壓力理論中或板樁計算理論中的臨界狀態。

6)基于以上各條分析，針對改進方案，對長24 m的鋼管樁結合拉森板樁圍堰進行受力驗算。

經上面各條分析，鋼管樁受力模型如圖3所示。

取單位寬度1 m為計算對象，則 p1=43.92 kN/m;p2=130.7 kN/m。

取最不利荷載AB段為驗算對象:

計算假定:五道內支撐視為剛性;各支撐間的鋼管樁段由連續梁簡化為簡支梁。因此，計算跨度LAB=5.5 m。

以一根鋼管樁結合一片拉森板樁為一個組合單元進行計算，寬度為630+575=1.205 m。

于是，q=1.205 ×(130.7 －30)=121.5 kN/m(減30 kN/m 是由于帶水開挖)。

由計算資料知1 m寬度內拉森板根數為100 cm÷57.5 cm=1.74 根。

所以，W拉森板=1 346 ÷1.74=773.6。

結論:從整體結構驗算結果得知，鋼管樁結合拉森鋼板樁強度滿足要求。

圖3 受力模型

3 主要結論

1)經過對鋼圍堰、鋼板樁圍堰進行優缺點分析，并對鋼板樁圍堰內力結構進行計算表明均不符合工程穩定要求，結合工程實際設計出了鋼板樁與鋼管樁結合的圍堰方案。

2)通過對鋼板樁與鋼管樁結合的圍堰方案內支撐及整體穩定性進行驗算，驗算表明第一道至第四道內支撐符合工程穩定性要求，由于第五道內支撐承受土壓力巨大，選擇用2根φ630 mm內支撐才能滿足工程穩定性要求。